Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов - Ультразвуковая техника

Ультразвук представляет собой периодические механические колебания среды с частотой, превышающей верхнюю границу слышимости человеческого уха (от 16-103 до 1010 Гц и выше).
Пространство, в котором распространяются ультразвуковые волны, называется ультразвуковым полем. Эффекты ультразвуковых колебаний проявляются в механических, акустических, термических и биологических действиях. При распространении ультразвуковых колебаний возникают явления фонтанирования, кавитации и дегазации жидкости, диспергирования, разделения и коагуляции (укрупнение) частиц, упрочняется металл, повышается всхожесть семян и т. д.
Интенсивность и характер проявления эффектов ультразвука зависят от частоты и интенсивности колебаний, а также от свойства самих сред.
Интенсивностью или силой ультразвука называют мощность, приходящуюся на единицу поверхности площадки, перпендикулярной направлению распространения звуковых колебаний. Для синусоидальных колебаний интенсивность ультразвука (Вт/м2)
(6.11);
где р — давление ультразвука, Н/м2; z0=pv— удельное акустическое сопротивление среды, кг/(мс2); р — плотность среды, кг/мЗ; v — скорость ультразвука в среде, м/с.
Интенсивность ультразвуковых колебаний, применяемых в технике, изменяется от сотен ватт до десятков киловатт на 1 м2.
Полная мощность акустических колебаний (Вт) в среде
где F — площадь поверхности источника ультразвука, м2.
Для генерирования ультразвуковых колебаний используют электрические (магнитострикционные и пьезоэлектрические) преобразователи.
Магнитострикционные преобразователи представляют собой стержень с обмоткой, питаемой высокочастотным электрическим током. Стержень при этом удлиняется с частотой, равной двойной частоте электрического тока (магнитострикционный эффект). Магнитострикционной способностью, то есть способностью изменять размеры в магнитном поле, обладают все ферромагнитные материалы, но наиболее сильно выражено это у некоторых металлов и сплавов, например никеля, пермендюра и др. Для уменьшения потерь энергии стержни собирают из пластинок толщиной 0,1... 0,3 мм. Сила звука таких излучателей 5... 10 Вт/см2 при частоте до 30 кГц и выше.
Находят распространение также ферритовые преобразователи. Потери в них значительно меньше, а частота ультразвука более высокая, однако допустимая интенсивность излучения не превышает 1 ... 2 Вт/см2.
Пьезоэлектрические преобразователи состоят из пластины, обладающей пьезоэлектрическими свойствами, то есть способностью изменять размеры при действии электрического поля (пьезоэлектрический эффект), приложенного к нанесенным на нее серебряным электродам. Пьезоэлектрические преобразователи обычно используются в диапазоне ультразвуковых частот до 3...6мГц.
Для изготовления преобразователей применяют кварц и керамические материалы: титанаты бария и кальция, а также цирканат титаната свинца.
К электродам преобразователя прикладывается напряжение ультразвуковой частоты. При этом пьезоэлектрический элемент сжимается и растягивается с двойной частотой. Пьезокерамические материалы имеют чувствительность в 20... 30 раз большую, чем кварц. Допустимая сила звука 1 ... 3 В/см2, а напряжение высокой частоты 50 ... 300 В для пьезокерамических и 2....20 кВ  — для кварцевых преобразователей.
Ультразвуковые излучатели наиболее эффективны при питании их током с частотой, равной собственной (резонансной) частоте вибратора (или кратной ей), которую определяют по формуле (Гц)
(6 13)
где k — коэффициент (для магнитостриктора, равный 2,5, кварца — 2,87, титаната бария — 2,2); л — длина магнитострикционного стержня или толщина пластины пьезоэлектрического преобразователя, м.

Рис. 6.6. Схема ультразвукового излучателя для ванн:
1 — магнитостриктор; 2 — фланец кожуха охлаждения; 3 — акустический трансформатор; 4 — согласующая пластина.
Для ввода ультразвуковых колебаний в обрабатываемую среду и для согласования параметров преобразователя с генератором применяют различные акустические трансформаторы скорости ультразвука, представляющие собой высокопрочные стержни разнообразной формы, закрепленные на излучателях.
Общий коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую, включая в себя потери в обмотке, вихревые, на гистерезис и на трение, достигает 40... 70%.
Питание ультразвуковые излучатели получают от преобразователей электроэнергии промышленной частоты в энергию переменного тока высокой частоты (ультразвуковые генераторы). Устройство ультразвуковых генераторов мало отличается от устройства высокочастотных ламповых генераторов, описанных далее.
Ультразвуковые генераторы выпускаются в диапазоне утвержденных частот от 3 кГц до 3 мГц при выходной мощности от 0,03 до 100 кВт.
В качестве примера на рисунке 6.6 показано ультразвуковое устройство, применяемое в моечных машинах и гальванических ваннах для интенсификации технологических процессов. Согласующая пластина 4, передающая ультразвуковые колебания жидкости, приваривается к акустическому трансформатору 3 магнитостриктора 1. Для охлаждения магнитостриктора используется проточная вода, циркулирующая в кожухе охлаждения.
Нередко согласующая пластина крепится непосредственно к магнитостриктору.
Магнитострикционные преобразователи типа ПМС для таких устройств выпускаются на мощность от 0,4 до 4 кВт при частоте 16...22 кГц. При этом применение ультразвука повышает производительность моечных машин в 2 ... 10 раз.